Бессмысленное выполнение программы.

Это могут быть сигналы с различных схем контроля, систем локализации неисправностей и т.д. Иногда обработчиком прерываний может быть человек (некий оператор, ремонтник и т.д.).

(34) Системы ввода-вывода.

Система ввода-вывода служит посредником между процессами вычислительной системы и разнообразными внешними устройствами.

В компьютерной системе каждое устройство ввода-вывода подключено к соответствующему порту. Устройство и порт имеют свои контроллеры – специализированные процессоры для управления ими. Процессор, память и внешние устройства в системе соединены общей системной шиной (наиболее распространена шина PCI). Каждое устройство имеет адрес, используемый командами непосредственного ввода-вывода и ввода-вывода, отображаемого в память.

ОС периодически, с помощью прерываний по таймеру, выполняет опрос всех внешних устройств – проверку их состояния. Возможные состояния: готово к выполнению команд, занято, ошибка.

Контроллер устройства по окончании ввода-вывода генерирует сигнал о прерывании, в результате управление получает обработчик прерывания – модуль ядра ОС. Указатели обработчиков всех видов прерываний собраны в резидентный массив – вектор прерываний.

Для оптимизации ввода-вывода используется прямой доступ к памяти (DMA) – метод организации ввода-вывода, при котором в качестве буфера устройства используется фрагмент основной памяти. Данный метод основан на использовании специальных DMA-контроллеров. DMA позволяет разгрузить процессор, освободив его от работы по пересылки данных для ввода-вывода.

В операционной системе API для ввода-вывода имеет иерархическую структуру. Системные вызовы – верхний уровень – инкапсулируют поведение устройств ввода-вывода. Более низкий уровень – драйверы устройств – скрывают различия между контроллерами устройств от ядра ОС.

Устройства ввода-вывода подразделяются на блочные и символьные, последовательного и произвольного доступа, резервируемое или разделяемое, только для чтения, для записи или для чтения-записи, и различаются по скоростям работы. Блочные устройства выполняют команды вида: прочитать, записать или найти блок с заданным номером. Символьные устройства выполняют команды вида: ввести символ, вывести символ, с программируемой возможностью построчного редактирования.

Сетевые устройства отличаются от блочных и символьных, имеют свой собственный интерфейс, поддерживают распространенные сетевые протоколы, реализуют функцию выбора сетевого пакета.

Часы и таймеры обеспечивают хранение информации о текущем времени, прошедшем интервале времени, периодические прерывания по таймеру.

Ввод-вывод подразделяется на синхронный и асинхронный.

Синхронный (блокируемый) ввод-вывод основан на простой, интуитивно понятной парадигме: процесс задерживается, пока ввод-вывод не закончится. Он более прост для использования и понимания, но в силу своей недостаточной эффективности, недостаточен для некоторых применений. Для оптимизации ввода-вывода возврат из системного вызова для ввода-вывода может происходить по мере доступности информации. Применяется пользовательский интерфейс для копирования данных (буферизация). Ввод-вывод также часто реализуется с помощью многопоточности (multi-threading): ввод-вывод выделяется в отдельный поток. Из системных вызовов для ввода-вывода предусмотрен быстрый возврат с выдачей в качестве результата числа байтов, фактически прочитанного или записанного.

Асинхронный ввод-вывод: процесс исполняется одновременно с выполнением ввода-вывода. Вследствие этого, он более сложен в использовании, так как большинство программистов до сих пор привыкли мыслить и реализовывать программы в последовательном стиле. После завершения асинхронного ввода-вывода подсистема ввода-вывода генерирует сигнал (исключение) в процессе, его использующем. Программирование асинхронного ввода-вывода основано на использовании пары операций типа начать асинхронный ввод-вывод и закончить асинхронный ввод-вывод (подождать его результатов). Такая схема чревата ошибками, так как программистам свойственно забывать завершающие действия, парные инициализирующим, если среда разработки им об этом не напоминает. Однако именно асинхронный ввод-вывод обеспечивает наибольшую эффективность.

Системы ввода-вывода характеризуются следующими свойствами:

· Модульность. Средства современной вычислительной техники проектируются на основе модульного (или агрегатного) принципа, который заключается в том, что отдельные устройства выполняются в виде конструктивно законченных модулей (агрегатов), которые могут сравнительно просто в нужных количествах и номенклатуре объединяться, образуя вычислительную машину. Присоединение нового устройства не должно вызывать в существующей части машины никаких других изменений, кроме изменения кабельных соединений и некоторых корректировок программ.

· Унифицированные (не зависящие от типа ПУ) форматы данных, которыми ПУ обмениваются с ядром ЭВМ, в том числе унифицированный формат сообщения, которое ПУ посылает в ядро о своем состоянии. Преобразование унифицированных форматов данных в индивидуальные, приспособленные для отдельных ПУ, производится в самих ПУ. точнее, в блоках управления ПУ (УПУ).

· Унифицированный интерфейс, т.е. унифицированный по составу и назначению набор линий и шин, унифицированные схемы подключения, сигналы и алгоритмы (протоколы) управления обменом информацией между ПУ и ядром ЭВМ.

· Унифицированные (не зависящие от типа ПУ) формат и набор команд процессора для операций ввода-вывода. Операция ввода-вывода с любым ПУ представляет для процессора просто операцию передачи данных независимо от особенностей принципа действия данного ПУ, типа его носителя и т. п.

(35) Назначение и возможности интерфейсов.

Интерфейс представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов (протоколов), предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами.

Интерфейсы являются основой взаимодействия всех современных информационных систем. Если интерфейс какого-либо объекта (персонального компьютера, программы, функции) не изменяется (стабилен, стандартизирован), это даёт возможность модифицировать сам объект, не перестраивая принципы его взаимодействия с другими объектами.

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью переходных аппаратно-логических устройств, называемых аппаратными интерфейсами. Стандарты на аппаратные интерфейсы в в-числительной технике называют протоколами – совокупностью технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами.

Многочисленные интерфейсы, присутствующие в архитектуре любой вычислительной системы, можно условно разделить на две большие группы: последовательные и параллельные. Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом, а через параллельный – одновременно группами битов. Количество битов, участвующих в одной посылке, определяется разрядностью интерфейса, например, восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают один байт (8 бит) за один цикл.

Параллельные интерфейсы обычно имеют более сложное устройство, чем последовательные, но обеспечивают более высокую производительность. Их применяют там, где важна скорость передачи данных: для подключения печатающих устройств, устройств ввода графической информации, устройств записи данных на внешний носитель и т.п. Производительность параллельных интерфейсов измеряют байтами в секунду (байт/с; Кбайт/с; Мбайт/с).

Устройство последовательных интерфейсов проще; как правило, для них не надо синхронизировать работу передающего и принимающего устройства (поэтому их часто называют асинхронными интерфейсами), но пропускная способность их меньше и коэффициент полезного действия ниже. Поскольку обмен данными через последовательные устройства производится не байтами, а битами, их производительность измеряют битами в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с). Несмотря на кажущуюся простоту перевода единиц измерения скорости последовательной передачи в единицы измерения скорости параллельной передачи данных путем механического деления на 8, такой пересчет не выполняют, поскольку он не корректен из-за наличия служебных данных. В крайнем случае, с поправкой на служебные данные, иногда скорость последовательных устройств выражают в знаках в секунду или в символах в секунду (с/с), но эта величина имеет не технический, а справочный, потребительский характер.

Последовательные интерфейсы применяют для подключения медленных устройств (простейших устройств печати низкого качества: устройств ввода и вывода знаковой и сигнальной информации, контрольных датчиков, малопроизводительных устройств связи и т.п.), а также в тех случаях, когда нет существенных ограничений по продолжительности обмена данными (цифровые фотокамеры).

(36) Основные интерфейсы ЭВМ.

IDE – интерфейс устройств со встроенным контроллером. Используется для подключения внешних накопителей. С внедрением этого интерфейса решается проблема с совместимостью накопителя и ПК. Если раньше приходилось при смене устройства менять контроллер на системной плате, то сейчас достаточно просто подключить устроуство. Скорость интерфейса 1, 5-3 Мбайт/с. Наиболее распространен параллельный разъем ATA/IDE, который в последнее время вытесняется параллельным разъемом АТА. IDE-адаптер часто встраивается в системную плату.

SCSI (Скази)(интерфейс малых компьютерных систем) – интерфейс системного уровня. Интерфейс позволяет подключать до 7 внешних устройств с контроллерами. Любое устройство может инициировать обмен с другими устройствами. Режим обмена может быть как синхронным, так и асинхронным; данные контролируются по паритету. Данная шина реализуется в виде отдельного шельфа с восмью устройствами, одно из которых отводится для подключения к системной шине.

RS-232 — интерфейс передачи информации между двумя устройствами на расстоянии до 30 метров. Информация передается по проводам с уровнями сигналов, отличающимися от стандартных 5 В, для обеспечения большей устойчивости к помехам. Асинхронная передача данных осуществляется с установленной скоростью при синхронизации уровнем сигнала стартового импульса. Интерфейс RS-232-C был разработан для простого применения, однозначно определяемого по его названию: «Интерфейс между терминальным оборудованием и связным оборудованием с обменом по последовательному двоичному коду». Чаще всего используется в промышленном и узкоспециальном оборудовании, встраиваемых устройствах. Иногда присутствует на современных персональных компьютерах.

Centronics является однонаправленным параллельным интерфейсом, содержит характерные для такого интерфейса сигнальные линии (8 для передачи данных, строб, линии состояния устройства). Данные передаются в одну сторону: от компьютера к внешнему устройству. Но полностью однонаправленным его назвать нельзя. Так, 4 обратные линии используются для контроля за состоянием устройства. Centronics позволяет подключать одно устройство, поэтому для совместного очерёдного использования нескольких устройств требуется дополнительно применять селектор. Скорость передачи данных может варьироваться и достигать 1, 2 Мбит/с.

USB («универсальная последовательная шина») — последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике. Символом USB являются четыре геометрические фигуры: большой круг, малый круг, треугольник, квадрат. Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводный кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода — для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА). К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств по топологии «звезда», в том числе и концентраторы. На одной шине USB может быть до 127 устройств и до 5 уровней каскадирования хабов, не считая корневого. В настоящее время широко используются устройства, выполненные в соответствии со спецификацией USB 2.0. Ведётся внедрение в производство устройств спецификации USB 3.0.

ISA (Архитектура промышленного стандарта), другое название AT-Bus. Шина ISA является основной шиной на материнских платах устаревших компьютеров типа PC AT. Максимальная пропускная способность шины ISA не превышает 5, 55 Мбайт/с и совершенно недостаточна для современных требований. Через интерфейс ISA раньше подключались практически все компоненты персонального компьютера, такие, как видеокарты, контроллеры ввода-вывода, контроллеры жестких и гибких дисков, модемы, звуковые карты и прочие устройства.

EISA (Расширенная ISA). В разъемы шины EISA можно вставлять как платы для шины ISA, так и для EISA. Платы для шины EISA имеют более высокую ножевую часть разъема с дополнительными рядами контактов, а слот имеет расположенный в глубине такой же ряд дополнительных контактов. Максимальная пропускная способность — 32 Мбайт/с. Поддерживает режим управления шиной со стороны любого из устройств, установленных в разъем (Bus Mastering). На современных материнских платах шина EISA уже не встречается.

PCI (Соединение внешних компонентов). Этот интерфейс не совместим ни с одним из предшествующих. Поддерживает тактовую частоту до 33 МГц (вариант PCI 2.1 — до 66 МГц), имеет максимальную пропускную способность до 132 Мбайт/с на частоте 33 МГц для 32-х разрядной шины (264 Мбайт/с для 32-x разрядных и 528 Мбайт/с для 64-х разрядных данных на частоте 66 МГц). Конструктивно разъем состоит из двух следующих подряд секций по 64 контакта. Внутри второй секции имеется пластмассовая поперечная перегородка (ключ) для предотвращения неправильной установки карт. Разъемы PCI и карты к ним поддерживают уровни сигналов либо 5 В., либо 3, 3 В., либо оба уровня (универсальные). В первых двух случаях карты должны соответствовать уровню сигнала разъема, универсальные карты ставятся в любой разъем. Интерфейс PCI обеспечивает поддержку режимов Bus Mastering и автоматической конфигурации компонентов при установке (Plug-and-Play). Все слоты PCI на материнской плате сгруппированы в сегменты, число разъемов в сегменте ограничено четырьмя. Если сегментов несколько, они соединяются посредством так называемых мостов (bridge).

PCMCIA (Стандарт международной ассоциации производителей плат памяти для персональных компьютеров). Интерфейс PCMCIA служит для подключения внешних устройств к мобильным компьютерам класса NoteBook. Поддерживает автоматическую конфигурацию Plug-and-Play, подключение и отключение устройств в процессе работы компьютера («горячее» подключение). Конструктивно представляет собой миниатюрный 68-ми контактный разъем.

AGP (Ускоренный графический порт). Этот интерфейс предназначен исключительно для подключения видеоадаптеров. Шина AGP позволяет видеоадаптеру связываться с оперативной памятью непосредственно, разгружая тем самым системную шину. В оперативной памяти размещаются параметры трехмерных объектов, требующие быстрого доступа как со стороны процессора, так и со стороны видеоадаптера. Максимальная пропускная способность шины AGP в режиме четырёхкратного умножения AGP/x4 — до 1066 Мбайт/с. Конструктивно выглядит как отдельный разъем на материнской плате. Никакие другие компоненты, кроме видеоадаптеров, к AGP подключить нельзя.

SATA - последовательная шина ATA. В версии 2 имеет скорость до 300МБ/с (скорость передачи кодированных данных 3 Гбод)

IEEE 1284, LPT (параллельный порт, порт принтера) - международный стандарт параллельного интерфейса для подключения периферийных устройств персонального компьютера. Интерфейс поддерживает одностороннюю (SPP) или двустороннюю (ЕРР, ЕСР) передачу данных при пиковой пропускной способности до 5 Мбайт/с (ЕСР). Интерфейс IEEE1284 обычно используется для подключения принтеров, сканеров, цифровых фотокамер и других внешних запоминающих устройств через параллельные порты компьютера (LPT). Встроенный контроллер параллельного порта имеется на материнской плате. В настоящее время интерфейс IEEE I284 рекомендуется заменять на интерфейсы USB и IEEE 1394.

(37) Структура системы ввода-вывода с одним общим интерфейсом.

Структура с одним общим интерфейсом предполагает наличие общей шины (магистрали), к которой подсоединяются все модули, в совокупности образующие ЭВМ; процессор, оперативная и постоянная памяти и периферийные устройства. В каждый данный момент через общую шину может происходить обмен данными только между одной парой присоединенных к ней модулей. Таким образом, модули ЭВМ разделяют во времени один общий интерфейс, причем процессор выступает как один из модулей системы.

(38) Структура системы ввода-вывода с процессорами (каналами) ввода-вывода.

Передача информации с периферийного устройства в ядро ЭВМ называется операцией ввода, а передача из ядра ЭВМ в периферийное устройство - операцией вывода. Структура системы с процессорами (каналами) ввода-вывода применяется в высокопроизводительных ЭВМ. В таких ЭВМ система ввода-вывода строится путем централизации аппаратуры управления вводом-выводом на основе применения программно-управляемых процессоров (каналов) ввода-вывода. Обмен информацией между памятью и периферийным устройством осуществляется через канал ввода-вывода.

Каналы ввода - вывода полностью освобождают процессор от управления операциями ввода-вывода. В вычислительной машине с каналами ввода-вывода форматы передаваемых данных неоднородны, поэтому необходимо использовать в ЭВМ несколько специализированных интерфейсов. Можно выделить 4 типа интерфейсов: интерфейс основной памяти, интерфейс процессор-каналы, интерфейсы ввода-вывода, интерфейсы периферийных устройств (малые интерфейсы). Через интерфейс основной памяти производится обмен информацией между памятью, с одной стороны, и процессором и каналами - с другой. Интерфейс процессор-каналы предназначается для передачи информации между процессорами и каналами ввода-вывода. Через интерфейс ввода-вывода происходит обмен информацией между каналами и блоками управления периферийных устройств. Селекторный и мультиплексный каналы служат для обеспечения связи между ЭВМ и периферийными (внешними) устройствами. По средствам селекторного канала ЭВМ соединяется с быстродействующими внешними устройствами

В соответствии с преимущественно реализуемым режимом работы различают каналы ввода-вывода мультиплексный, осуществляющий мультиплексирование ПУ, и селекторный, взаимодействующий с ПУ в монопольном режиме.

(39) Каналы ввода–вывода.

Мультиплексный (байт-мультиплексный) канал одновременно обслуживает несколько параллельно работающих ПУ, попеременно организуя с ними сеансы связи для передачи между ОП и ПУ небольших порций информации (1 байта или нескольких). Если несколько ПУ подготовилось к очередному сеансу связи и запрашивает обслуживание со стороны мультиплексного канала, то канал выбирает одно из них в соответствии с принятыми для данной системы приоритетными правилами, например, в соответствии с порядком подключения устройств к каналу. Остальные устройства, готовые к сеансу связи, должны ожидать, когда подойдет их очередь на обслуживание. Мультиплексный канал предназначен главным образом для работы со сравнительно медленными устройствами, способными ожидать обслуживания без потери информации. Аппаратурные средства мультиплексного канала можно условно разделить на две части: средства, предназначенные для обслуживания отдельных ПУ, присоединенных к каналу, и оборудование, являющееся общим для всех устройств и разделяемое всеми устройствами во времени. Средства канала, выделенные для обслуживания отдельных устройств, принято именовать подканалом. Число подканалов определяет максимальное число одновременно работающих с данным каналом ПУ.

Селекторный канал предназначается для монопольного обслуживания одного ПУ. При работе с селекторным каналом ПУ после пуска операции остается связанным с каналом до окончания цепочки операций. До завершения цепочки операций селекторный канал по отношению к процессору представляется занятым устройством.

Управляющее слово, выбранное селекторным каналом из памяти, содержится до окончания всех предписанных им действий в триггерных регистрах канала. Необходимые изменения текущих параметров операции производятся быстро с помощью соответствующих действий над содержимым триггерных регистров. Таким образом, все средства селекторного канала монополизируются на время операции одним ПУ. Можно считать, что селекторный канал содержит только один подканал.

Блок-мультиплексные каналы позволяют осуществлять параллельную работу нескольких ВЗУ с прямым доступом. Операции, не связанные с передачей данных (установка головок на цилиндр, поиск записи и др.), выполняются для нескольких устройств в мультиплексном режиме, а передача блока информации происходит в монопольном (селекторном) режиме. Важным свойством блок-мультиплексного канала является возможность мультиплексирования передач блоков данных, относящихся к различным ВЗУ прямого доступа. Блок-мультиплексный канал содержит несколько подканалов.

(40) Доступ к памяти.

Последовательный доступ. ЗУ с последовательным доступом ориентировано на хранение информации в виде последовательности блоков данных, называемых записями. Для доступа к нужному элементу (слову или байту) необходимо прочитать все предшествующие ему данные. Время доступа зависит от положения требуемой записи в последовательности записей на носителе информации и позиции элемента внутри данной записи. Примером может служить ЗУ на магнитной ленте.

Прямой доступ. Каждая запись имеет уникальный адрес, отражающий ее физическое размещение на носителе информации. Обращение осуществляется как адресный доступ к началу записи, с последующим последовательным доступом к определенной единице информации внутри записи. В результате время

доступа к определенной позиции является величиной переменной. Такой режим характерен для магнитных дисков.

Произвольный доступ. Каждая ячейка памяти имеет уникальный физический адрес. Обращение к любой ячейке занимает одно и то же время и может водиться в произвольной очередности. Примером могут служить запоминающие устройства основной памяти.

Ассоциативный доступ. Этот вид доступа позволяет выполнять поиск ячеек, содержащих такую информацию, в которой значение отдельных битов совпадает с состоянием одноименных битов в заданном образце. Сравнение осуществляется параллельно для всех ячеек памяти, независимо от ее емкости. По

ассоциативному принципу построены некоторые блоки кэш-памяти.

(41) Клавиатура. Назначение, состав и принцип работы.

Клавиатура – клавишное устройство управления персональным компьютером. Служит для ввода алфавитно-цифровых (знаковых) данных, а также команд управления. Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя. С помощью клавиатуры управляют компьютерной системой, а с помощью монитора получают от нее отклик.

Существует три основных типа механизма клавиш: мембранный, полумеханический и механический. Мембранные клавиатуры обычно дешевле механических в несколько раз.